【授業☆しょ~かい】『土壌監視システム』に照度監視システムが付いたよ。 電子技術科(都留キャンパス)No.350

2020年12月18日

こんにちは。あんどくん です 。
電子技術科をPRしているよ☆彡
みんな、令和2年もリアルに応援よろしくね ( `・ω・´)ノ
今日、令和2年12月10日(木) の『後編』では、3,4限におじゃました2年生の『通信工学実習 (IoTと通信工学) 』を紹介するよ。

この授業では、世界が注目する超小型PC『ラズベリーパイ(ラズパイ) 』を使って、『パイソン言』のプログラミングを学んでいるんだ。 また『パイソン言語』の 基本的な『文法』を学んだあと、これをベースに『IoTシステム』を設計しながら、『IoT』の『設計技術』と『利用技術』を身につけていくんだ。

はじめに、これまでに設計・製作してきた『土壌監視システム (IoTなし版) 』について、改めて『ブロック図』で表して整理し直したんだよ。
土壌監視システム (IoTなし版) 』の中心部は『ラズパイ』で、これまでに、以下のセンサ回路アクチュエータ回路が完成しているんだよ。

  • 温度監視システム (温度センサ回路)
  • ファン
  • 水分量監視システム (水分量センサ回路)
  • 給水ポンプユニット

温度監視システム』で温度を監視して、設定温度以上になるとファン (扇風機) が回転して温度を下げるんだよ。また『水分量監視システム』で土壌』の水分量を監視して、水分量が減ると、給水ポンプユニットが動作して水が補給されるんだ。

これに、いま製作中の以下のセンサ回路アクチュエータ回路が付くんだよ。

  • 照度監視システム (光センサ回路)
  • LED (照明)

照度監視システム』で明るさを監視して、暗くなったら LED (照明)を点けて明るくするんだよ。

 

さらに以下のセンサ回路アクチュエータ回路が付く予定なんだよ。

  • 侵入者監視システム
  • 警告表示(モニタ)

侵入者監視システム』で『土壌エリア』への人や動物の侵入を監視して、侵入があればモニタに警告を表示する予定なんだよ。

 

土壌監視システム』の全体像について確認したところで・・・
今回は、『照度監視システム (光センサ回路) 』についてやっていくよ。

 

まずは『光センサ』の種類について学んだんだ。
今回は、下の写真にある『光センサ』うちの『フォトダイオード』を使用するんだよ。
なので『フォトダイオード』の性質について学んでいくよ。

 

フォトダイオード』も『ダイオード』の一種なんで、I – V 特性は普通の『ダイオード』と同じなんだよ。

 

普通の『ダイオード』と異なるのは、『フォトダイオード』の場合は、光を当てるとのI-V特性の曲線が、下側にシフトするんだよ。光の強さを2倍にすると、シフト量も2倍になるんだ。
下の写真のグラフで、V = 0 (縦軸上) にときに注目すると、光の強さに比例して、マイナス方向に電流が流れる (切片がマイナス方向にシフトしている) のがわかるね。

 

なので、下の写真みたいに『フォトダイオード』の両端をショート(短絡)して光を当てると、
光の強さに比例した電流が逆方向に流れるんだよ。

 

ラズパイ』に信号を入力するには、電流の変化を電圧の変化に変換する必要があるんだよ。

 

それには、下の写真みたいにオペアンプの回路を使えばいいんだよ。
オペアンプに負帰還がかかっているんで、『フォトダイオード』の電位差が0Vになっているんだよ。
なので、両端をショートしているのと同じなんだよ。
なので、『フォトダイオード』に光を当てると、光の強さに比例した電流が逆方向に流れるんだ。
この電流は抵抗 R を流れるんで、オペアンプの出力にはオペアンプの電位差:

     v0 = Ri

が出力されるんだよ。
以上から、オペアンプの出力には、光の強さに比例した電圧が出力されるんだ。

 

さっそく抵抗 R の値を決めたんだよ。
南湖 准教授が、下の写真の照度計で『実験室1』と『実験室2』の窓側と廊下側の明るさを測ると、平均で1,000ルクス位だったんだよ。

 

フォトダイオード』のデータシートをから、明るさが1,000ルクスのときには、『フォトダイオードの両端をショートしておくと、逆方向に 10μA の電流が流れるんだ。
ちょうど、1,000ルクスのときにオペアンプの出力が1Vになるようにするには、

      10 μ R = 1

からR = 100 kΩ にすればいいんだよ。

 

ここで、設計した『照度監視システム (光センサ回路)』の回路図を、回路図用紙』に製図したんだ。

 

つぎに『ラズパイ』で使用するGPIOピンについて確認したんだ。
ラズパイ』には、SPI通信が、 SPI0SPI1の2系統あるんだけど・・・
今回は、SPI0系統を使って、二つのチップ(『A/D変換IC0』と『A/D変換IC1』) と通信するんだ。さらに『A/D変換IC0』と『A/D変換IC1』は、それぞれ二つ (2チャンネル) のアナログ信号 (CH0CH1) をA/D変換できるんだよ。なので、最大で四つのアナログ信号をA/D変換できるんだけど、今回は、つぎの三つのアナログ信号をA/D変換するんだ。

  • A/D変換IC0のCH0: 温度センサ回路の出力電圧
  • A/D変換IC0のCH1: 水分量センサ回路の出力電圧
  • A/D変換IC1のCH0: 照度センサ回路の出力電圧
  • A/D変換IC1のCH1: 未使用

SPI通信で必要な三つの信号線 (MISO、MOSI、SCK) は、『A/D変換IC0』と『A/D変換IC1』で共通なんで、分配すればいいんだけど・・・
チップセレクト信号線 (CS0CS1)は、各『A/D変換IC』に1本ずつで、CS0が『A/D変換IC0』で、CS1が『A/D変換IC1』なんだよ。

 

SPI通信で使用するGPIOピンが確認できたところで・・・
南湖 准教授から『土壌監視システム』のソフトウェア(『ラズパイ』のプログラム)について詳しい説明があったんだ。三つのアナログ信号を A/D変換するんで、 A/D変換の『関数』も三つあるんだよ。それぞれの『関数』で、SPIの系統番号CS (チップセレクト番号)チャンネル番号を指定してA/D変換するんだ。

 

A/D変換された三つのA/D変換値は、それぞれプログラムで

  • 温度センサのA/D変換値 → 温度 [℃]
  • 水分量センサのA/D変換値 → センサ回路の出力電圧 [V]
  • 照度センサのA/D変換値 → 照度 [lux]

に変換して、モニタに表示するんだ。

 

土壌監視システム』のハードウェア (『ラズパイ』周辺の電子回路)と、ソフトウェア(ラズパイプログラム) の説明が終わったところで・・・
さっそくハードウェアを組み立てることになったんだ。ソフトウェアについては、前回作成済みだよ。

 

回路設計図』をみながら、ブレッドボード上に組み立てていくんだよ。

 

ハードウェアが完成したら、プログラムを実行するんだ。下の写真みたいに、温度 [℃]水分量 [V] (水分量センサの出力電圧)、照度 [lux] が表示されるんだよ。

 

プログラムがうまく動かなかったら、デバッグして『バグ』を取り除くんだ。プログラムだけじゃなくて、電子回路も同時にデバッグするんだよ。

 

下の写真が、完成した『土壌監視システム』のハードウェアだよ。

今回はここまでだよ。

時間なんで・・・
電車で帰るよ ≡3

 

みんな、今日も1日おつかれさま ☆彡
IoTなし版の『土壌監視システム』がそろそろ完成しそうだね!ひきつづきがんばろっ٩( ‘ω’ )و
今日も『産短大の毎日』をみてくれてありがとう!
また、明日からがんばろっ٩( ‘ω’ )و

それじゃ ≡3 ≡3 ≡3

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